生物修复-第八章

null第八章 污染地下水的生物修复第八章 污染地下水的生物修复第一节 抽提-处理修复第一节 抽提-处理修复抽提-处理修复（extraction-treatment）是一种传统的异位修复技术，通过采用一定，将地下水中的液态污染物与气态污染物抽取出来，在地面进行处理净化，又分为泵-处理修复和气体抽提修复 泵-处理修复（pump-treatment） 概述 在地下水层受到污染时，采用水泵将地下水抽取出来，进行地面处理 一方面可以防止受污染的地下水向周围迁移、扩散，另一方面，抽取出来的地下水可以在地面得到合适的处理净化，然后再重新注入地下或排放进入地表水体，从而减少了地下水和土壤的污染程度泵-处理修复泵-处理修复地下水通过水泵和一个或多个水井抽取上来，在抽取过程中，水井水位下降，与周围地下水形成水力梯度，导致周围的地下水不断流向水井，从而在每个水井周围形成一个漏斗形状地下水区域 水井应该合理的覆盖污染区域，并且水井的抽水速率应该高于污染物在地下水中的扩散速率 尽管用泵抽取出来的水中的污染物可以得到高效率的去除，但却不能保证地下水尤其是土壤中的污染物能够得到有效的去除 污染物在土壤颗粒表面存在吸附-脱附现象，从而导致地下水修复过程比理论预测长很多泵-处理修复泵-处理修复现场调查和试验 现场调查 地质和水力参数 包括水力渗透率、水力梯度等 污染物方面的参数：包括污染物性质、溶解度、可吹脱特性、吸附特性、可生物降解特性以及环境排放标准等 水化学特性：pH值、总溶解性固体、电导率、总悬浮固体、总铁、溶解性铁、DO和温度等 地下水流量变化：包括短期变化、长期变化和流量的稳定性等 土壤特性：土壤地质起源、土壤分层结构、颗粒尺寸分布、孔隙率、有机质含量等 环境标准、土壤修复标准、水处理和排放标准泵-处理修复泵-处理修复实验 通过实验，实际测定水泵的出流流量、持续时间，以及控制污染带迁移计算所需要的水力传导系数等 基于实地水泵抽提实验得到的数据进行会更可靠 水泵抽提实验 可以在专门挖掘的井或者在已有的观察监测井中进行 对于开放式的蓄水层，需要实验时间一般是72h；对于承压蓄水层，24h即可 在某些水量比较低的情况下，8~24h即可 通过水泵实验，应该测定泵水流水量随时间的下降趋势，根据相关方程激素相应的水力传导系数、比产率系数和比贮存系数现场实验现场实验地下水位实验 方法一：在瞬间抽取出一定的水量，然后观察记录水位随着时间的恢复过程 方法二：瞬间将一大块固体放入地下水，然后观察地下水位随着时间回落的过程 这两个方法都可以估算水力传导系数，但实际上仅仅测定了局部的水力传导系数，具有一定的局限性，结果都没有水泵抽提实验准确 优点：方便、成本低廉，不需要安装水泵等设备泵-处理修复泵-处理修复设计内容及原理 设计内容包括水井的作用范围、位置、数目、直径大小、深度、井的建造材料、抽水速率或者流量、操作方式（连续或间歇周期）、地面处理工艺、处理后的地下水的处置方式等 单井作用范围 将单井的作用范围置于x-y坐标，其边缘界限曲线可以用方程描述 Q为井水抽取流量，m3/s；B为蓄水层厚度，m；u为井周围地下水流速，m/s Q/2Bu数值越大，即流量越大，地下水流速越慢或者蓄水层越薄，水井的影响范围越大泵-处理修复泵-处理修复水井的个数 估算地下水抽取流量 绘制单个水井的作用区范围曲线 将单个水井作用范围曲线按地图比例放置在污染区域地图上 如果一个水井的作用范围曲线足够覆盖整个污染区域，则说明单个水井就足够了 否则就用多个水井的作用范围曲线罗列在一起，直到能够覆盖整个污染区域，根据每一个作用范围曲线，就可以确定每一个水井在地图上的具体位置 对于复杂的工程计算，可以采用相应的地下水模型软件，目前应该较广的是美国的MODFLOW模型软件泵-处理修复泵-处理修复水泵选择 常用水泵有两种：安装在地面上的离心泵和安装在井内的潜水泵 离心泵抽吸提升高程一般6m，适用于具有比较高的地下水位的地方，比较广泛采用的是变流量离心泵 潜水泵也有两种：一种是泵头安装在井内而电机安装在井口，另一种是电机和泵头都在井内；后一种潜水泵安装方便，但更换和维修不方便 一般情况下，电机和潜水泵头在一起时，不必是防爆型的 倘若电机不在水下，则要求电机是防爆型泵-处理修复泵-处理修复地面修复工艺 利用活性污泥工艺或生物膜工艺，将抽取上来的地下水中的有机物进行生物氧化分解 也可以用空气吹脱、活性炭吸附、化学氧化、石灰或碱苏打沉淀重金属离子、交换树脂、膜分离等物理化学方法null气体抽提修复（air extracted-treatment） 抽提修复 利用真空泵和井，在受污染区域诱导产生气流，将有机污染物蒸气，或者将被吸附的、溶解状况的或者自由相的污染物转变为气相，抽提到地面，然后在进行收集处理 典型的气体抽提系统包括抽提井、真空泵、适度分离装置、气体收集管道、气体净化处理设备和附属设备等气体抽提修复气体抽提修复气体抽提技术的主要优点 能够原位操作，比较简单，对周围的干扰能够限定在尽可能小的范围之内 非常有效的去除挥发性有机物 在可接受的成本范围内能够处理尽可能多的受污染土壤 系统容易安装和转移 容易与其他技术组合使用气体抽提修复气体抽提修复抽提技术的基础是土壤污染物的挥发特性 在孔隙空气流动时，土壤污染物质不断挥发，形成蒸气，并随着气流，迁移至抽提井，集中收集抽提出来，再进行地面净化处理 抽提技术可行与否，取决于污染物质的挥发特性和土壤结构对气流的渗透特性 有机污染物在土壤中以不同的状态存在，包括：①吸附在土壤颗粒表面，呈现膜状；②在土壤空隙中呈现乳化状态；③在土壤空隙气相中呈蒸气状态；④溶解于水或者地下水中；⑤作为独立的相漂浮于地下水层或者沉积于下层气体抽提修复气体抽提修复土壤中有机污染物的挥发性能可以用几种参数表示 蒸气压 表示一个化合物挥发转变为气相的趋势 一般蒸气压大于66.661~133.322pa的化合物（如苯、三氯乙烯），可以采用抽提技术有效的去除 对于混合性的污染物，蒸气压与各个组分物质的量比例有关 溶解度： 溶解度小的化合物容易挥发，而溶解度大的化合物可能随水渗流，迁移至更远的地方 对于混合性的污染物，溶解度同样取决于各个组分物质的比例气体抽提修复气体抽提修复亨利系数 表示一个化合物在水相和气相分配的程度 KH=cv/c1（KH为亨利系数；cv 为化合物在气相中的平衡浓度；c1为化合物在水相中浓度） 吸附 污染物吸附与土壤颗粒特性及所含有的有机物成分有关，有机成分可以用总碳表示，吸附程度用吸附系数Kd表示 Kd=foc·Koc（foc为土壤含有机物的比例，一般为1~8%，对于沙子，则小于1%；Koc为该污染物在土壤有机物中的分配系数，可以利用辛醇-水分配系数获得） 土壤方面影响因素包括：孔隙率，越小将降低扩散速率；含水率，高会影响扩散速率，低会增加吸附特性；土壤层结构的多向异性气体抽提修复气体抽提修复抽提过程操作：抽提技术作用一般分为几个阶段 初期，土壤孔隙中的空气含有的挥发性有机物处于平衡甚至饱和状态 当启动抽提技术时，呈饱和平衡状态的气相首先移走，液相状态的有机物传质至气相并被带出，气流中有机物浓度相对比较稳定 当大部分自由相状态的有机物被移走，平衡破坏，气相移动的速度或者说将污染物带出的速度大于污染物从液相或固相挥发传质的速度，此时，液相呈乳化状态或者黏附在土壤颗粒表面物质逐渐挥发 最后是水相中呈溶解状态物质的挥发，被吸附在土壤颗粒表面上的有机物的脱附气体抽提修复气体抽提修复注意事项 为了有效的增加空气流量，一般把抽提井周围的地面用塑料覆盖，使空气在更大范围内扩散，使有限的空气通过更多的土壤 周边覆盖还可以减少雨淋，减少水渗流产生的不利影响注意事项注意事项为了增加抽提效果，也可以特别设置空气注入井，直接插入到空气难以通过的污染区域 在使用真空泵抽吸时，为了减少地下水上升所造成的影响，需要将抽提井的底部封住 在应用抽提技术时，需要考虑污染物成分、类型、时间、浓度、阶段与分布、区域特征（地质条件、土壤湿度、地表特征、地下水深度等） 抽提技术运用于渗透性和均一性比较好的地层，因此需要对受污染地区进行详细调查，包括地质和水力特征、污染物分布区域、土壤空气成分、地下水变化、气压变化特征、LNAPL的存在状态和地下水浓度等气体抽提修复气体抽提修复现场中试 设计前最后进行中试，以获得工程现场第一手的设计资料和参数，也称为现场设计实验 中试包括测定土壤空气渗透 率、蒸气抽提范围半径、吹提 出来的空气的浓度和成分、 所需要的空气流量、真空水平、 真空泵功率、估计修复需要的 时间和成本等气体抽提修复气体抽提修复设计原理 设计的目的包括 系统各个部分的规格，如真空泵或者鼓风机、抽提井个数和位置、井的构造、抽提物后处理单元、空气/水分分离器、管道管件以及检测和控制仪等 选择合适的操作条件如抽提所需要的真空水平、空气流量、抽提半径范围、污染物蒸气浓度等 估算修复程度和效率、所需要的时间、残余污染物浓度等 工程投资或者成本等气体抽提修复气体抽提修复抽提半径方法 根据中试结果，可以确定一定的空气流量或者真空水平所产生的有效抽提半径，进而确定修复整个受污染区域所需要的抽提井个数。因此，在实验中需要测量抽提井周围的真空水平，并按距离画图 依据所需要的真空水平，就可以确定有效半径范围，采用所确定的半径，在需要修复的区域范围内，画出重叠的圆圈，即为抽提井的个数和位置 确定了抽提井的个数和位置，根据所需要的真空水平和待修复土壤的渗透系数，就可以确定空气流量，以此选择真空泵等设备和仪表 实际工作过程中，污染物浓度逐渐降低，直至达到环境标准，完成修复工作 抽提气体后处理：生物过滤第二节 空气吹脱修复第二节 空气吹脱修复概述 空气吹脱（blow-off）是在一定的压力条件下，将压缩空气注入受污染区域，将溶解在地下水中的挥发性化合物、吸附在土壤颗粒表面上的化合物以及阻塞在土壤空隙中的化合物驱赶出来 空气吹脱包括现场吹脱、挥发性有机物的挥发、有机物的好氧生物降解等三个过程，前两个过程进行的比较快，而生物降解过程在比较长的时间内才能显现出来 在实际应用中，空气吹脱技术与抽提技术相结合，可以得到更好的效果空气吹脱修复空气吹脱修复选择吹脱技术应该考虑亨利系数和蒸气压 亨利系数大于101.325×10-2Pa·m3/mol，蒸气压大于66.661~133.322Pa，比较容易挥发或吹脱 关于地质条件，影响最大的是底层土壤均一性，比较密实的土层会阻断空气通道，导致空气积累，高度松散的土壤也会导致空气短流，吹脱不能均匀进行 在实际工作中，空气注入到土壤地下水中后，根据不同的地层结构，或者以气泡或者以气流的形式扩散，相应地，地下水从垂直方向和水平方向向周围迁移空气吹脱修复空气吹脱修复不同情况下地下水位的变化 在空气注入的开始阶段，空气进入地下水的流量大于其扩散流出的量，地下水位上升并达到其最高位置 随着注入的空气不断流向包气带，地下水水位开始下降，此时空气从地下水区域向包气带流动的气流通道开始形成 地下水位持续下降直至空气注入的流速等于其流出的速度，达到平衡时，注入井附近的地下水水位几乎回复原位 空气通道在地下水中的分布，大体呈现伞状形态。气流通道的密度和空气与土壤接触的表面积都与空气流量有关，空气流量大，气流通道的密度增加，相应的接触表面积增加 空气注入地下，能够强化地下水的混合，从而克服分散传质的局限性，大大加快传质过程空气吹脱修复空气吹脱修复空气吹脱现场中试 由于空气吹脱技术还没有走出经验性阶段，因此需要进行现场中试，以验证技术的有效性，并获得相应的设计参数 中试实验主要的检查内容包括：①注入空气的流量；②溶解氧水平；③井水水位的变化；④空气注入压力和土壤中气体压力的变化，井壁附近压力的变化；⑤土壤气体中污染物的浓度和吹脱效率，尤其应注意避免可能达到爆炸或者燃烧水平的高浓度；⑥实验流量和压力对吹脱气体影响半径的影响，也可以检查示踪气体的变化 这些参数能够揭示吹脱技术的可行性和效果，同时，需要详细的调查现场条件空气吹脱修复空气吹脱修复空气吹脱设计 空气注入井布置 位置应该包围整个污染区域，或者在其扩散流动方向进行阻截 每一个注入井的半径范围需要通过现场实验确定 可以设立实验井，在其周围辐射方向设立观察井空气吹脱修复空气吹脱修复空气注入的深度 原则上应该是比污染物所处最深处更深30~60m，但实际的深度受土壤结构等影响，一般不超过地下水水位以下9~16m的深度 注入井的深度影响空气注入所需要的压力和流量 空气注入所需要的压力和流量 注入空气的压力必须克服注入点地下水的静态压力和土壤毛细管压力，才能够形成气流通道 在实践中，并不是压力越高，空气流量越大，吹脱效果越好，为了增加空气流量或者扩展吹脱半径范围而增高压力时需要倍加小心，此时需要逐渐提高压力，循序渐进 注入空气的流量范围一般在28~425m2/min 选择空气流量时，也需要考虑为了回收蒸气而进行抽提的能力空气吹脱修复空气吹脱修复注入方式 连续注入方式下，运行比较稳定 在间歇注入方式下，地下水位升降比较明显，可以强化传质效果，从而提高空气吹脱的效果，但间歇脉冲式的操作方式也可能导致井周围的土壤筛选分层现象产生，使比较细的土壤沉积在下层，导致阻塞现象 注入井的构造 与深度有关 可采用聚氯乙烯管材进行加工而成 注入井的直径一般为0.3~1.2m，实际直径以0.3~0.6m比较经济 深度比较大时，小口径的井所需要的压力可能比较高 空气吹脱修复空气吹脱修复污染物类型和分布的影响 污染物的分布受污染物挥发特性、溶解度和生物可降解性等因素影响，也受地下水流动、空气气流强化传质等影响 需要视具体情况和工程要求进行优化 吹脱技术设备选择 根据中试对压力的需要选择，压力小选择鼓风机，压力比较高时选择空气压缩机 空气吹脱技术的效率 空气吹脱比传统的抽取地下水进行地上处理的技术效率更高 一般的运行时间在1~3年，多数工程在1年之内就能够达到预期的设计要求 进行修复的常见污染物包括汽油组分、氯代烃溶剂等空气吹脱修复空气吹脱修复局限 当渗透率低于10-3cm/s时，空气扩散非常困难 对于非挥发性污染物，空气吹脱不但不能够有效的去除污染物，反而可能将污染物驱赶向其他区域，导致受污染区域进一步扩大 改进 利用地下水平方向的施工技术提高空气吹脱和蒸气回收的效率 单井同时进行吹脱和抽吸 生物吹脱或者生物曝气 生物曝气技术是通过鼓气方法，提高地下水中的溶解氧水平，从而提高微生物的活性 该技术能够在去除挥发性的污染物质的同时，还能够借助生物过程降解去除非挥发性有机物第三节 原位工程生物修复工艺类型 对于不同类型的受污染土壤和地下水，应该采用不同类型的生物修复技术 对于包气带，一般采用生物曝气；通过钻井，鼓入空气，通过地面渗透，输送微生物所需要的营养，在共降解情况下，可以在注入空气的同时注入甲烷作为第一基质，促进共降解过程 对于包气带生物曝气，类似于抽提和吹脱，但目的不同，前者的目的主要是提高分子氧，因此所需要的气量要小得多，以尽量避免污染物的挥发，免去不必要的地面处理步骤第三节 原位工程生物修复原位工程生物修复对于受污染的地下水 可以向地下水层钻井注入空气，提供氧气，同时利用回收井，抽取地下水，进行循环；通过渗透、提供微生物所需要的各种营养，从水井抽取地下水，还可以控制污染物的迁移 另一种工艺，利用曝气井和抽提井组合，在注入空气的同时，在另一侧，抽提蒸气和空气，加快循环 对于饱和带或地下水 生物曝气也是类似于空气吹脱，但压力保持得尽量低，以避免污染物从地下水中挥发，从而迁移至包气带，导致污染的转移原位工程生物修复原位工程生物修复原位工程生物修复生物修复技术也可以只在特定的活性区域实施，作为阻截手段 活性带一般设置在垂直于地下水流向，在污染带的下游，这是一种被动的方法，但非常有效，空气和微生物营养直接注入活性带原位工程生物修复原位工程生物修复原位工程生物修复设计 生物修复技术设计的主要内容包括将电子受体、微生物营养和活性微生物本身有效的输送至受污染的目标区域 在设计开始阶段，需要对已知材料包括现场地质和水力数据、污染评价、现场可行性研究结果和修复的要求进行仔细分析，确定修复工程需要达到的具体目标，也就是设计目标 根据修复工程要求，选择合适的生物修复工艺过程 确定了生物修复工艺，即可选择相应的工艺参数 生物修复需要进行的时间可以根据总的需氧量和氧的输送速率来“粗略”估算原位工程生物修复原位工程生物修复主要设计步骤 确定是否需要向生物修复区域输送微生物营养 预料生物修复过程中可能出现的化学和微生物学方面的变化，设计对应的 设计输送系统 执行长期监测 对于好氧生物修复过程，电子受体的供应有物理和化学两种方式 物理方式：直接输送空气或者纯氧，或者经过充氧的水流 化学方式：提高能够转化为分子氧的化学物质，如过氧化氢原位工程生物修复原位工程生物修复典型原位生物修复系统 包括地下水回收井、地面处理单元、营养添加单元、电子受体添加单元、回注地下受污染区域等原位工程生物修复原位工程生物修复限制条件 对于许多生物修复系统来说，电子受体的浓度是过程限制性因素 过氧化氢常常被用作氧气的代用品，优点是其相对于氧气在水中的溶解度高，可以更高的浓度注入地下水井迁移更远的距离，但稳定性比较差 实际操作中可以根据情况采取不同的措施，提高生物修复的效率 采用纯氧代替空气或者过氧化氢，提高DO的浓度 采用硝酸盐代替氧和过氧化氢作为电子受体 注入甲烷，提高甲烷细菌的活性，提高一些难降解物质的降解速率 采用厌氧和好氧和共代谢组合的方法 总之，投加、传质和混合是原位生物修复技术成功的关键环节第四节 地下水的自然生物修复第四节 地下水的自然生物修复自然生物修复过程 是利用土壤和地下水原本就存在的自然野生微生物降解土壤和地下水中污染物，被视为自然环境的自我修复过程 自然生物修复能够降低受污染区域修复的费用，但并不是不采取任何措施 实施自然生物修复，需要画定一条零号线，在零号线上，生物降解的速率等于污染物流动扩散的速率。随着生物修复的不断进行，零号线将逐渐收缩，因此，零号线的迁移是评定自然生物修复进程的参考标志自然生物修复自然生物修复在自然生物修复区域存在四个不同的部分，分别为污染物中心、厌氧区域、好氧区域、已经修复的区域 从外围到核心，依次存在着好氧生物反应、以硝酸盐为主的兼氧生物反应和厌氧微生物反应、利用三价铁离子作为电子受体的微生物反应等自然生物修复自然生物修复自然生物修复的反应参数 自然生物修复的能力可以根据现场的一些参数估计，以苯为例 好氧生物氧化 7.5O2+C6H6→6CO2+3H2O 质量比：O2:C6H6=3.1:1 每消耗1mg/L的DO就可以降解0.32mg/L的苯 如果背景DO是4.0mg/L，好氧降解的容量是0.32×4/1=1.28mg/L 反硝化反应 6NO3- + 6H- + C6H6→6CO2 + 6H2O + 3N2 质量比：NO3-:C6H6=4.8:1 每消耗1mg/L的NO3-可以降解0.21 mg/L的苯 如果背景NO3-是12 mg/L，则生物降解容量是0.21×12/1=2.52 mg/L自然生物修复自然生物修复自然生物修复评价 现场污染物消失速率的检测 需要建立有关受污染区域的特征和污染物状况的数据库，污染物的位置和来源，溶解性污染物的位置和浓度等，土壤分布的地理特征，水力参数，以及地下水的生物数据 微生物活性的实验室确定 可以通过土壤和地下水样品的呼吸实验测定，可以培养分离鉴定微生物的种类和数量自然生物修复自然生物修复能表征生物反应指标变化趋势的的调查 生物反应的趋势可以采用检测DO、Eh、pH值、温度、电导率、碱度、NO3-、SO42-、硫化物、Fe2+、CO2、CH4和Cl-，以及污染物本身浓度等参数 如果如DO、NO3-、SO42-等浓度低于背景浓度，或者其还原的产物如NO2-和硫化物等物质的浓度高于背景浓度，甚至一些生物代谢产物如Fe2+和CH4的浓度升高，就可以确定自然生物过程的存在 根据数据勾画相应的变化曲线就可以清晰的确定生物修复的进程 根据各种电子受体的浓度，可以通过加和估算得出自然生物修复的容量，从而初步断定仅仅自然生物修复过程是否能够满足修复的要求 评价自然生物修复的模型，比较多的是Bioplume II